AD/DA轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展歷程及其趨勢

隨著電子產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的不斷發(fā)展，逐漸形成了以數(shù)字系統(tǒng)為主體的格局。A/D轉(zhuǎn)換器作為模擬和數(shù)字電路的接口，正受到日益廣泛的關(guān)注。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對A/D轉(zhuǎn)換器的要求也越來越高，新型的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)不斷涌現(xiàn)。本文著重介紹了當(dāng)前幾種常用的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)；并通過對數(shù)字技術(shù)發(fā)展近況的分析，探討了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史

計算機(jī)、數(shù)字通訊等數(shù)字系統(tǒng)是處理數(shù)字信號的電路系統(tǒng)。然而，在實際應(yīng)用中，遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器正是基于這種要求應(yīng)運(yùn)而生的。1970年代初，由于MOS工藝的精度還不夠高，所以模擬部分一般采用雙極工藝，而數(shù)字部分則采用MOS工藝，而且模擬部分和數(shù)字部分還不能做在同一個芯片上。因此，A/D轉(zhuǎn)換器只能采用多芯片方式實現(xiàn)，成本很高。1975年，一個采用NMOS工藝的10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器成為最早出現(xiàn)的單片A/D轉(zhuǎn)換器。

1976年，出現(xiàn)了分辨率為11位的單片CMOS積分型A/D轉(zhuǎn)換器。此時的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器中，數(shù)字

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

通常，A/D轉(zhuǎn)換器具有三個基本功能:采樣、量化和編碼。如何實現(xiàn)這三個功能，決定了A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作性能。A/D轉(zhuǎn)換器的類型很多，下面介紹幾種目前常用的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)。

全并行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換

全并行A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的工作原理非常簡單，模擬輸入信號同時與2N-1個參考電壓進(jìn)行比較，只需一次轉(zhuǎn)換就可以同時產(chǎn)生n位數(shù)字輸出。它是迄今為止速度最快的A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣速率可以達(dá)到500MSPS。但是，它也存在很多不足。首先，硬件開銷大，其功耗和面積與分辨率呈指數(shù)關(guān)系;其次，結(jié)構(gòu)重復(fù)的并行比較器之間必須要精密匹配，任何失配都會造成靜態(tài)誤差。而且，這種A/D轉(zhuǎn)換器還容易產(chǎn)生離散和不確定的輸出，即所謂的“閃爍碼”。所以，全并行A/D轉(zhuǎn)換器只適用于分辨率較低的情況。

圖1　N位全并行A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

減小全并行A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電容和電阻網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)是提高其性能的關(guān)鍵。為了達(dá)到這一目的，采用了各種新技術(shù)，如將全并行結(jié)構(gòu)與插值技術(shù)相結(jié)合，可降低功耗和面積，從而可使全并行A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行更高精度的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。Lane C.設(shè)計了一個10位60MSPS轉(zhuǎn)換速率的全并行A/D轉(zhuǎn)換器，通過運(yùn)用插值技術(shù)，將比較器的數(shù)目從1023個減小到512個，大大節(jié)省了功耗和面積。

兩步型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換

兩步型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，由一個粗分全并行A/D轉(zhuǎn)換器對輸入進(jìn)行高位轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生N1位的高位數(shù)字輸出，并將此輸出通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換，恢復(fù)為模擬量;然后，將原輸入電壓與此模擬量相減，對剩余量進(jìn)行放大，再送到一個更精細(xì)的全并行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生N2位的低位數(shù)字輸出；最后，將這兩個A/D轉(zhuǎn)換器的輸出并聯(lián)，作為總的數(shù)字輸出。

與全并行A/D轉(zhuǎn)換器相比，此種類型的A/D轉(zhuǎn)換器雖然轉(zhuǎn)換速度降低了，但是節(jié)省了功耗和面積，解決了全并行A/D轉(zhuǎn)換器中分辨率提高與元件數(shù)目劇增的矛盾。因此，兩步型A/D轉(zhuǎn)換器可用于10位以上的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，但是，它對剩余量放大器的要求很高，剩余量必須被放大到充滿第二個A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬量范圍，否則，會產(chǎn)生非線性和失碼。另外，第一級A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間及精度是限制兩步型A/D轉(zhuǎn)換器工作速度的一個重要因素，如果建立時間不充分，勢必導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)誤差，所以，大多數(shù)兩步型A/D轉(zhuǎn)換器都采用了數(shù)字校正技術(shù)來改善這一問題。Razavi,B.和Wooley,B.A.采用校正技術(shù)研制的兩步型A/D轉(zhuǎn)換器，其第一級比較器的建立時間只需10ns，失調(diào)電壓可達(dá)到5mV，轉(zhuǎn)換速度高達(dá)5MSPS，分辨率為12位。

圖2　兩步型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖

插值折疊型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換

折疊結(jié)構(gòu)如圖3所示，其基本原理就是通過一個特殊的模擬預(yù)處理(圖3中的陰影部分)產(chǎn)生余差電壓，并隨后進(jìn)行數(shù)字化，獲得最低有效位(LSB)，最高有效位(MSB)則通過與折疊電路并行工作的粗分全并行A/D轉(zhuǎn)換器得到，幾乎在對信號采樣的同時，對余差進(jìn)行采樣。

圖3　折疊結(jié)構(gòu)框圖

圖3中，折疊電路的傳輸函數(shù)是理想情況，實際電路很難實現(xiàn)。所以，一般的折疊結(jié)構(gòu)都具有非線性，但其過零點處的非線性為0。若只考慮這些過零點，則Vin與Vrj之差的極性可以被正確確定，再采用插值的辦法產(chǎn)生額外的過零點來解決低位。這就是插值折疊的基本思想，它既利用了折疊特性，又不帶來額外的非線性。

各種新技術(shù)的運(yùn)用，使插值折疊型A/D轉(zhuǎn)換器的性能不斷提高。這里介紹兩種新技術(shù):電流式插值系統(tǒng)和級聯(lián)結(jié)構(gòu)。用電阻實現(xiàn)的電壓式插值器，其精度受到電阻匹配度的限制，而在電流式插值器中，信號是由電流幅度表示的，其精度更高，而且更適合在低電源電壓下工作。Li，Y-C等人通過在細(xì)量化通路上采用電流模式信號處理技術(shù)來降低電壓擺幅，獲得了具有300MSPS轉(zhuǎn)換速度、60MHz輸入信號帶寬、7位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。另一種改進(jìn)方法就是采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)。在無需增加并行輸入級和細(xì)分A/D轉(zhuǎn)換器中比較器數(shù)目的條件下，級聯(lián)結(jié)構(gòu)可將轉(zhuǎn)換 精度提高到8位以上。
       
Vorenkamp,P.等人設(shè)計的12位插值折疊型A/D轉(zhuǎn)換器采用三步式級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中，3位粗分量化，3位中分量化，6位細(xì)分量化。該A/D轉(zhuǎn)換器只需50個比較器，轉(zhuǎn)換速度為60MSPS。

流水線型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換

流水線型A/D轉(zhuǎn)換器是對兩步型A/D轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步擴(kuò)展，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它將一個高分辨率的n位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換分成多級的低分辨率的轉(zhuǎn)換，然后將各級的轉(zhuǎn)換結(jié)果組合起來，構(gòu)成總的輸出。每一級電路由采樣/保持電路(S/H)、低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、減法器和可提供增益的級間放大器組成。

圖4　流水線型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

這種類型的A/D轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點:每一級的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，具有良好的線性和低失調(diào)；每一級都具有各自獨(dú)立的采樣保持放大器，因此允許流水線各級同時對多個采樣進(jìn)行處理，從而提高了轉(zhuǎn)換速度;分辨率相同的情況下，電路規(guī)模及功耗大大降低。但它也存在一些缺點:復(fù)雜的基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu)；輸入信號必須穿過數(shù)級電路，造成流水延遲;同步所有輸出需要嚴(yán)格的鎖存定時；對工藝缺陷和印刷線路板較敏感，這會影響增益非線性、失調(diào)及其它參數(shù)。

目前，普遍采用兩種新技術(shù)來提高流水線A/D轉(zhuǎn)換器的性能。一種是時間交織技術(shù)，使多條流水線并行工作。通過采用這種技術(shù)，可大大提高轉(zhuǎn)換速率，但并行的通道數(shù)不能太多，否則，會大大增加芯片面積和功耗，而且各個通路之間需要高度匹配，在工藝上很難實現(xiàn)。Sumanen,L.等人設(shè)計了一個具有4個并行通道的流水線A/D轉(zhuǎn)換器，采用0.5μmCMOS工藝實現(xiàn)。該A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率高達(dá)200MSPS，分辨率為10位。另一種新技術(shù)就是數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)，其主要思想是將校準(zhǔn)周期內(nèi)測量到的誤差存放在存儲器中，然后在正常運(yùn)算周期內(nèi)，通過原始碼尋址，得到校對碼，再通過原始碼和校對碼的運(yùn)算，得到最終的數(shù)字輸出。這種技術(shù)可對模擬電路的失調(diào)不匹配以及非線性引入的誤差等進(jìn)行有效的校正，從而使流水線A/D轉(zhuǎn)換器的精度超過10位。Hakarainen,V.等人研制的交織型流水線A/D轉(zhuǎn)換器，運(yùn)用這種校正技術(shù)來校正子D/A轉(zhuǎn)換器的誤差，并對各并行通道之間增益和失調(diào)電壓的失配進(jìn)行補(bǔ)償，從而在10位的器件匹配精度下獲得了14位的轉(zhuǎn)換精度。

逐次逼近型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其工作原理如下:輸入信號的抽樣值與D/A轉(zhuǎn)換器的初始輸出值相減，余差被比較器量化，量化值再來指導(dǎo)控制邏輯是增加還是減少D/A轉(zhuǎn)換器的輸出;然后，這個新的D/A轉(zhuǎn)換器輸出值再次從輸入抽樣值中被減去，不斷重復(fù)這個過程，直至其精度達(dá)到要求為止。由此可見，這種A/D轉(zhuǎn)換器在一個時鐘周期里只完成1位轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換就需要N個時鐘周期，故它的采樣率不高，輸入帶寬也較低;但電路結(jié)構(gòu)簡單，面積和功耗小，而且不存在延遲問題。

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的一個關(guān)鍵部分就是D/A轉(zhuǎn)換器，它制約著整個A/D轉(zhuǎn)換器的精度和速度。D/A轉(zhuǎn)換器傳統(tǒng)的制作方法是用精密電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，但是它的精度不高。以電容陣列為基礎(chǔ)，采用電荷重分布技術(shù)的D/A轉(zhuǎn)換器可以獲得更高的精度，這主要是由于在MOS電路中比較容易制造出小容量的精密電容，而且電容損耗極小。Gan,J-H等人采用非二進(jìn)制的電容陣列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器，并采用自校準(zhǔn)技術(shù)提高電容的匹配度，使D/A轉(zhuǎn)換器的精度高達(dá)22位，制作出功耗為50mW的16位1.5MSPS高性能逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。